小半徑曲線盾構隧道研究的幾個問題與初探

沈臻鑫，王 灝，楊果林，張沛然，虢 彪

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410004； 2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設進程的快速推進，地下空間的開發(fā)與建設力度持續(xù)增強，而作為暗挖法推選的盾構法地下工程施工技術應用面不斷擴大。國內外學者對盾構施工存在的相關問題開展了大量研究，極大地推動了盾構法的應用與實踐。其中，侯學淵等[ 1]總結了國內外盾構隧道沉降預估的理論與經驗。結合上海隧道工程的實踐，對包括隧道沉降的階段性預測和專家系統(tǒng)的應用等進行了分析研究。孫鈞等[ 2]討論了城市地鐵區(qū)間隧道盾構掘進中對土體的施工擾動及引起地層移動和地表變形沉降的力學機理，概括了施工擾動影響的主導因素。于寧等[ 3]針對地下結構傳統(tǒng)的簡化計算方法的不足，采用適應性較強的有限元法，對盾構隧道施工過程中的施工步驟、 管片與土層接觸面以及開挖過程中地應力釋放等進行了有限元模擬，為盾構隧道襯砌的設計和施工提供了有益的參考。 徐永福等[ 4]和張云等[ 5]通過盾構施工的現場監(jiān)測，分析了盾構掘進對周圍土體的影響程度；根據土體應力狀態(tài)變化分析了土體的擾動程度，并提出了應力擾動度的定義，用室內試驗方法研究了土體應力狀態(tài)變化對其力學性質的影響。蔣洪勝等[ 6]通過在地下污水管道周圍的地層中測定地層的超孔隙水壓力和土層的移動，研究發(fā)現，在盾構掘進接近、穿越以及遠離測孔區(qū)3個施工階段，隧道周圍不同區(qū)域的土層呈現出各自不同的移動特征。張海波等[ 7]在全面分析土壓平衡式盾構施工過程中影響周圍土體變形各主要因素的基礎上，提出一種能夠綜合考慮各種因素的盾構施工三維非線性有限元模擬方法，分析了盾構推進過程中隧道周圍及地表處土體的位移和變形以及橫斷面不同深度上的沉降分布規(guī)律。朱偉等[ 8]利用能夠考慮大變形的拉格朗日有限差分計算程序，對砂土地層土壓平衡式盾構施工中開挖面支護應力不足引起開挖面的變形及破壞問題進行了分析研究，探討了隧道開挖面變形及破壞問題。上述研究主要針對于直線形或大曲率盾構隧道，對小半徑曲線形盾構隧道的研究較少。

以未來城市地下工程建設的發(fā)展趨勢，以及結合日本等盾構技術發(fā)達國家的隧道設計和使用情況綜合分析，可以初步判斷小半徑盾構隧道將在我國的適用面不斷擴大[ 9-11]，以滿足日益復雜的城市環(huán)境和盾構隧道使用要求。為了迎接小半徑曲線盾構隧道在我國設計和應用的廣闊未來，本文就小半徑盾構隧道在我國研究和應用中存在的幾點問題進行分析和思考，以期通過本文的“拋磚”可以起到相關研究推進和成果層出的“引玉”之效，促進小半徑曲線盾構隧道在我國的研究和實踐。

1 盾構隧道曲線半徑的取值與思考

為了管理和促進地下交通工程的健康有序發(fā)展，國家相關部門自1992年出臺《地下鐵道設計規(guī)范》(GB 50517—1992)[ 12](以下簡稱92規(guī)范)以來，在2003年對其修正，形成了《地鐵設計規(guī)范》[ 13](GB 50517—2003)(以下簡稱03規(guī)范)，2013年對03版再次修訂與完善，形成了《地鐵設計規(guī)范》[ 14](GB 50517—2013)(以下簡稱13規(guī)范)，為地鐵軌道交通的建設和發(fā)展發(fā)揮了重要作用。三版規(guī)范中對線路平面最小曲線半徑做出了明確規(guī)定，如表1所示。

表1 《地鐵設計規(guī)范》線路平面最小曲線半徑規(guī)定變化統(tǒng)計表

注：1.表中輔線包括輔助線(92規(guī)范)、聯(lián)絡線和出入線(03和13規(guī)范)；2.括號內數字為車速。

由表1可以看出曲線半徑的取值和線路的分類(正線、輔線和車場線)有關，其中03版規(guī)范中還針對A、B型車的速度做出了不同取值規(guī)定。比較看來，正線的最小曲線半徑不應小于250 m，輔線不應小于150 m，值得注意的是13版規(guī)范對車場線在困難地段的曲線半徑不做明確性規(guī)定，具體的曲線半徑應具體分析。由于盾構隧道在我國的設計和建設歷史較短，因而針對于各行各業(yè)的具體盾構隧道設計規(guī)定主要參考或者依據《地鐵設計規(guī)范》，由此造成了許多未基于實際使用服役環(huán)境工況的設計規(guī)定，如《電力電纜隧道設計規(guī)程》[ 15](DL/T 5484—2013)中7.1.2條的規(guī)定——盾構隧道的平面線形宜選用直線和大曲率半徑曲線，而從電力電纜的使用環(huán)境來看，很多時候需要設立(增設)出線井，因而以線路沿線供電需求出發(fā)，曲線形電纜隧道走向更加具有經濟性[ 16-17]，可以盡可能充分發(fā)揮地下空間的優(yōu)越性。

上述設計不盡合理的原因是多方面的，其中包括我國盾構隧道的建設水平、地鐵車輛的使用性能(滿足最小轉彎半徑的速度和安全要求)、地鐵線路的運營維護成本等[ 18]。有理由相信的是，隨著我國盾構隧道建設、車輛機械制造水平、運營管理水平的全面提高和完善，上述問題將得到有效解決(三版規(guī)范中最小曲線半徑取值的降低就是證明)，隧道的曲線半徑將不斷降低，小半徑曲線隧道的適用范圍將進一步擴大，以充分發(fā)揮和利用小半徑曲線隧道的優(yōu)勢。

與此同時，隨著我國快速的城市化建設步伐，高層建筑、高架橋等工程往往采用樁基礎，因而使得地下空間在開發(fā)時面臨合理有效利用的問題。傳統(tǒng)的直線形或大曲率半徑隧道走向布局難以實現相關線路規(guī)劃設計目標，由此小半徑曲線線路(隧道)因布線的靈活性其應用性將得到充分體現，有理由相信在城市復雜環(huán)境下小半徑曲線盾構隧道的建設熱度將悄然升起。

如圖1所示，為某省首條電力隧道，分為南北兩條單線隧道，北線長3 068.062 m，南線長2 859.950 m，采用土壓平衡盾構施工。隧道襯砌管片外徑為4 100 mm，內徑為3 600 mm，厚度為250 mm，管片寬1 200 mm和1 000 mm。全長區(qū)間隧道平面曲線半徑最小半徑為150 m。隧道主要沿既有地面高壓線走向布局，與城市主干道高架橋相平行，設計時為避免對鄰接建筑物和樁基的擾動影響，以及滿足沿線多處用電需求，線路采用多處小半徑(R300、R150)曲線走向，并形成了幾處連續(xù)小半徑S形轉彎段。

圖1 某小半徑S形曲線電力盾構隧道

在本盾構隧道的建設中存在若干新的技術問題，依據現有直線形盾構隧道的基本理論和技術經驗難以克服解決。筆者以本工程為背景，結合盾構建造技術在小半徑曲線隧道建設中存在的幾點問題進行梳理，并期許通過同行的重視、不斷的研究和全面總結逐步予以解決。

2 小半徑曲線盾構隧道管片行為

作為隧道的重要襯砌結構，管片的行為及狀態(tài)直接關系到隧道在施工期間和長期服役環(huán)境下的安全。曲線盾構隧道，特別是受小半徑盾構隧道掘進施工的影響，相較直線形或者大曲率半徑隧道而言，其具有復雜的力學行為[19]，主要體現在兩個方面：一是施工作用荷載問題；二是曲線盾構隧道服役期中可能存在的兩類土拱效應及土壓力計算問題。本文主要討論施工作用荷載對小半徑曲線隧道管片的行為影響問題。

2.1 小半徑曲線盾構隧道管片施工期受力問題

盾構在曲線段隧道掘進施工時，為了實現設計線路目標，盾構機沿曲線走向轉彎，盾構機掘進姿態(tài)的控制主要通過設定不同區(qū)的千斤頂油壓大小而實現。而施工期盾構機不平衡千斤頂推力的反向作用荷載使盾構千斤頂推力方向與管片走向軸線存在一定夾角，當曲線半徑越小，二者的夾角將不斷增大，因而使管片承受一個水平分力，引起管片的非均衡受力。這種由施工產生的不平衡推力使管片承受一定的集中擠壓作用[20]，特別是在管片環(huán)接縫位置，如圖2所示，其表現主要為管片的錯臺、擠壓破碎及錯臺滲水流砂等病害。上述病害的出現嚴重影響隧道的安全施工及后期盾構隧道的服役工作性能。因而對于(小半徑)曲線盾構隧道而言，如何合理控制管片所承受的不平衡推力成為關鍵性技術問題，并由此產生亟需在理論和試驗等方面研究上予以解釋的問題。

圖3為某電力盾構隧道小半徑段和直線段總推力變化情況，為減小其他因素對分析值的影響，所列數據為曲線段和直線段連續(xù)段，各取16環(huán)管片。從圖可以看出，小半徑曲線段總推力的平均值和最大值均大于直線段。特別是基于每環(huán)管片推進開挖過程中的總推力統(tǒng)計數據，即從概率直方圖可以發(fā)現，直線段總推力小于7 000 kN的占99.5%以上，而小半徑曲線段大于7 000 kN的占50%以上，充分說明盾構在小半徑曲線段掘進施工時，總推力水平遠高于直線段。

圖2 小半徑曲線盾構隧道施工管片常見病害

如上所述，與直線形隧道盾構施工的不同處在于千斤頂推力因曲線行駛的需要而存在各油缸壓力差值較大，因而管片在受到不平衡推力之后，其力學響應也較為復雜，與諸多施工指標參數存在關聯(lián)，值得通過進一步的研究予以揭示。其中，盾構機不平衡推力作用、注漿(同步注漿、二次注漿)壓力及注漿率、掘進地層物理力學狀態(tài)及參數、隧道埋深、掘進速度、渣土改良技術及效果、曲線盾構隧道曲率等皆是不可忽視的關鍵性研究考慮因素，而盾構機施工參數(不平衡推力、注漿、掘進速度)及隧道曲線半徑大小為重要因素[21-22]。例如，為了滿足施工工期的要求，盾構施工速度往往較大，在曲線掘進段采用千斤頂連續(xù)掘進工作模式，使得管片承受的千斤頂推力連續(xù)累計，造成局部出現應力集中問題，已有的研究已部分提出曲線段采用分步多次施壓-卸壓掘進模式，可緩解管片不均勻受力程度和變形累計。再如，受盾構開挖存在于管片與開挖面之間的空隙多采用注漿實現有效填充，以控制土體位移沉降，而注漿體的填充率及初凝時間如果控制不及時，將在一定時間內使管片所承受的不平衡盾構推力未能及時傳遞于周圍圍巖體，造成管片的非正常破損變形，且隨曲線盾構隧道的半徑的減小而更為嚴重，因此對于小半徑曲線盾構隧道而言，及時保證管片與圍巖體之間空隙的有效注漿填充以及使注漿體早日達到一定強度成為重要的施工控制技術。

圖3 盾構隧道小半徑曲線段和直線段總推力對比分析圖

目前，出現的克泥效或衡盾泥工藝為解決這一問題提供了有效途徑，即可將具有一定流塑狀、承載性能好的惰性注漿體通過盾體徑向孔及時填充于盾體開挖間隙，作為管片與土體間的有效荷載傳遞體，并對控制地層擾動具有一定意義，因而這項技術工藝值得在小半徑曲線隧道中推廣應用。綜合而言，目前對于小半徑曲線隧道管片具體的相關施工技術指標參數的力學機制研究的還不是較為清晰，有必要進一步開展小半徑曲線盾構隧道施工的管片荷載力學行為研究。

2.2 小半徑曲線隧道中的兩類土拱問題

在經典的盾構隧道中，認為隧道管片(襯砌)結構承受的主要荷載及形態(tài)如圖4所示?？梢钥闯銎涑尸F基本的對稱性，由此理論和認識可知管片結構的受力具有對稱性，其管片結構的設計和計算相對較為明確，但是必須指出的是，該土壓力荷載模型適用于直線形或大曲率盾構隧道，對于小半徑曲線盾構隧道而言，其合理性值得商榷。同時，在土壓力的計算方面，土拱效應始終是一個無法回避的問題，因為其涉及到管片結構的受力計算和設計，關系到盾構隧道的安全和造價等。相對而言，目前對于直線形或大曲率盾構隧道的土壓力研究比較豐富，獲得了一定的研究成果，指導和促進著盾構隧道的建設和發(fā)展，但是，面對小半徑曲線盾構隧道，傳統(tǒng)的土拱效應或者太沙基松動土壓力是否合適值得商榷。太沙基通過滑動門試驗所提出的太沙基松動土壓力認為在開挖面上方土體沉降變形情況下，其與兩側土體的剪切面呈現對稱性，當然這與滑動門試驗有關。長期以來太沙基的滑動門和松動土壓力理論指導著相關專業(yè)研究，具有重要意義。通過學者的研究基本達成一些認識，松動土壓力的存在與否與隧道的埋深直徑比相關，采用松動土壓力計算管片結構的受力具有相較全覆土重的合理性和適用性[23-24]。而松動土壓力的大小與土體的重度、含水率、強度等物理力學參數相關。但是深刻分析松動土壓力的力學機制不難發(fā)現，還有許多問題值得進一步通過研究明確：

圖4 土壓力荷載模型示意圖

(1) 在開挖面上方土體松動沉降變形以后，與兩側土體形成一定位移之差“啟動”了兩側土體對開挖上方土體的位移約束，即以其剪切面的剪切力承受開挖面上方土體的部分自重荷載，由此也實現了開挖面上方土體荷載向兩側土體的轉移，表現為中間土壓力減小，而兩側土壓力持續(xù)增大，這是太沙基滑動門試驗揭示的基本規(guī)律和力學機理。但是，在計算松動土壓力時，剪切面上的剪切力計算存在力學指標取值確定的問題，按照經典土力學，土的強度是在豎向土壓力為最大主應力，水平土壓力為小主應力的應力狀態(tài)下計算獲得的，但是由滑動門試驗可以明確知道，當開挖面上方土體和兩側土體由彼此間的剪切面提供的剪切力達到位移穩(wěn)定狀態(tài)時，其兩側土壓力明顯大于松動土壓力，引起兩側水平土壓力的增大，開挖面附近部分土體發(fā)生主應力軸旋轉，致使在滑動面附近的土體的應力狀態(tài)將演變?yōu)樗酵翂毫樽畲笾鲬ΓQ向土壓力(松動土壓力)為小主應力，如果再考慮到土體的各向異性，土體的剪切強度指標將發(fā)生明顯變化，那么此時仍沿用以豎向土壓力為最大主應力獲取的力學強度計算滑動面的剪切力，進而確定松動土壓力是否合適呢？值得深入思考和分析研究；

(2) 經典的隧道土壓力荷載模型較為適用于直線形或大曲率線形隧道，對于小半徑隧道而言存在值得商榷的地方。其基本認識如下，我們知道在盾構施工過程中，曲線外側和內側土體承受的盾構施工附加荷載狀態(tài)不同，內側土體存在不同程度的超挖問題，而外側土體的擠壓變形較為突出，這點從潘泓等[25]的現場監(jiān)測試驗的水平位移結果可以明確獲知。由此造成內外側土體的應力狀態(tài)將發(fā)生變化，其后期固結沉降變形等也將同步產生差異(見下文實測試驗數據)。雖然我們可以通過注漿等手段實現地表變形的控制，但是受擾動后土體的應力狀態(tài)差異性已經造成。另外，對于小半徑盾構隧道而言，在沿隧道走向軸線看來，存在一段曲弧，按照樁基工程或基坑工程中土拱效應的研究基礎，此類曲弧的存在是土拱效應產生的重要前提，那么關于小半徑隧道曲弧段內的土拱問題特征呈現什么規(guī)律呢？目前，缺少相關理論和試驗方面的研究，就筆者看來，這類水平向土拱問題和傳統(tǒng)的由太沙基所提出的豎向土拱問題二者共同構成小半徑曲線隧道的兩類土拱問題。而這兩類土拱問題的解決有利于更加深刻合理的認識小半徑盾構隧道襯砌結構受力特征，從而在管片設計計算方面更加合理。

2.3 管片荷載土壓力反演

無論是施工期管片荷載還是長期服役環(huán)境下的管片受力特征，從研究方式上主要還是理論分析、試驗研究、數值分析三種，其中理論分析是基礎、數值分析是驗證，而試驗研究具備真實性和直接參考指導意義，是重要的研究途徑。但是，受現場試驗的各種不利條件、試驗儀器誤差以及各種不確定因素的影響，難免所獲得的試驗數據不能真實反映管片的受力特征。特別是管片外土水壓力的監(jiān)測分析試驗，由于大量的土壓力盒、水壓力計位于管片外側，與圍巖體是否完全接觸不能確定，因而在更多情況下，管片外側所受到的土水壓力，應該包括注漿荷載等，從這個意義上言，將所監(jiān)測到土水壓力試驗值定義為管片荷載(包括水壓力、土壓力、注漿壓力等)更為合理。而為了確定計算長服役環(huán)境下管片的荷載，可根據對管片的鋼筋應力應變監(jiān)測結果，結合數值模擬方法，定義最小回歸分析模型，從而反演得到管片的荷載。目前，結合小半徑盾構隧道這方面的反演研究還鮮有報道，值得開展相關方面試驗進行分析。

3 小半徑曲線盾構施工擾動效應及控制

盾構法因其相較其他開挖方法而言具有擾動較小的技術特征，因而廣泛于城市地下工程建設。但是，不斷出現的由盾構施工引起的地表塌陷、近接建筑物傾斜沉降開裂、地下管線破裂等工程擾動問題[26-27]層出不窮，究其原因在于未能合理評估和控制盾構施工的擾動行為。長期以來，學者圍繞盾構施工的擾動效應(機理)和控制技術開展了大量研究，取得了一定結果。但是，受小半徑曲線盾構隧道在我國設計和應用的不充分影響，對其擾動效應和控制技術的研究成果較少，不利于小半徑盾構隧道的推廣應用。如圖5所示，為電力盾構隧道R150小半徑曲線段和直線段施工期地表沉降變化情況，從圖可以看出，在盾構從開挖面抵進監(jiān)測面—監(jiān)測面下放—遠離開挖面過程中，地表沉降最大點經歷了曲線外側—拱頂—曲線內側遷移變化途徑，即在管片脫出盾尾以后，受內側土體超挖等影響，土體豎向沉降不斷向內側遷移，最終發(fā)生最大沉降點位于曲線內側的特征，而非直線段最大地表沉降始終處于拱頂位置。充分說明，小半徑曲線隧道盾構施工擾動問題與直線段或大半徑曲線隧道存在明顯不同，值得引起注意，結合少有的研究結果，曲線盾構隧道施工擾動存在的問題可以概括為以下兩點：

(1) 在小半徑曲線隧道盾構施工中，如上所提及的，在轉彎段曲線內外側土體的應力狀態(tài)不同，發(fā)生的位移變形特征也不盡相同。如圖5所示，在盾構向左轉彎過程中，隧道對應地表沉降最大點向左偏移，不再為拱頂位置，因而從施工監(jiān)測角度而言，常規(guī)性的盾構隧道擾動監(jiān)測應該對曲線段拱頂左右兩側一定范圍進行全面監(jiān)測，以此實現有效的監(jiān)測，指導盾構施工。同時，結合監(jiān)測數據對沉降較大區(qū)域(如左側)進行針對性的注漿作業(yè)。

圖5 小半徑曲線和直線段隧道地表沉降曲線

(2) 由于曲線段內外側土體應力狀態(tài)的不同，對如地下管線、地下樁基等的影響特征也將有所區(qū)別。就曲線外側而言，土體在開挖面到達之前承受擠壓作用，因而近接建構筑物將受到一定的側向水平地基抗力；而在曲線段內側，由于超挖等原因，土體將產生一定的松弛沉降，對近接建構物的的擠壓作用降低。因而，考慮到曲線隧道盾構施工的土體擾動效應的時變性、空間性等應對近接建構筑物進行科學合理的擾動控制，防止發(fā)生盾構擾動事故的發(fā)生。

4 結 論

(1) 本文以地鐵設計規(guī)范為例對線路平面最小曲線半徑的取值標準進行了討論，指出現有盾構隧道設計規(guī)定未基于實際使用服役環(huán)境工況的設計需求。預期未來盾構隧道曲線半徑將不斷降低，小半徑曲線隧道的優(yōu)勢將充分發(fā)揮。

(2) 對小半徑盾構隧道管片的受力行為進行淺析。統(tǒng)計發(fā)現，小半徑曲線段盾構施工總推力大于直線段，如何合理控制管片所承受的不平衡推力成為曲線盾構隧道施工關鍵性技術問題。認為應該及時保證管片與圍巖體之間空隙的有效填充以及使注漿體早日達到一定強度。

(3) 傳統(tǒng)土壓力荷載模型適用于直線形或大曲率盾構隧道，對小半徑隧道的適用性值得商榷。初步提出了小半徑曲線隧道的兩類"土拱"問題，此問題的解決有利于更加深刻合理的認識小半徑盾構隧道襯砌結構受力特征。

(4) 曲線隧道盾構施工中，在轉彎段曲線內外側土體的沉降變形有所差別。盾構隧道施工擾動監(jiān)測應該對曲線段拱頂左右兩側一定范圍進行全面監(jiān)測，以此有效指導盾構施工。